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文档简介
我们先看一个例子.
§4.2线性方程组解的求法
上节给出了线性方程组是否有解的判定定理,本节主要讨论有解线性方程组解的个数以及如何求解的问题.熟练掌握线性方程组的解法是本节学习的重点.例4.2.1解线性方程组,
,
解我们用通常的高斯消元法解这将第一个方程的-2倍加到第二个方程上;将第一个方程加到第三个方程上;将第一个方程的-1倍加到第四个方程上,得到
个方程组.将第一、第二个方程互换,方程组变为
,
,
把第二个方程加到第三个方程上;第二个方程的-2倍加到第四个方程上,得,
,
在这个方程组的第二个方程中,任给x4的一个值,可唯一得到;任给x2的一个值,连同x4一起代入第一个方程,可唯一的得到
.这样我们就得到方程组得一组解
,
,
由于x2,x4可以任意给定,所以方程组有无穷多组解.这里x2,x4称为自由未知量.在解这个方程组的过程中,对方程组的化简反复使用了下面的三种运算:
(1)互换方程组中两个方程的位置;
(2)用一个非零常数k去乘方程组中某一个方程;
(3)把一个方程的k倍加到另一个方程上.我们把这三种运算称为方程组的初等变换.,
,
联系如果把方程组和它的增广矩阵
起来,我们不难看出,对方程组进行初等变换化为阶梯形方程组的过程,实际上就是对它的增广矩阵
进行初等行变换化为最简阶梯形矩阵的过程.下面我们把例4.2.1的解题过程用矩阵的初等变换表示出来:
,
,
由最后的阶梯形矩阵,即可写出方程组的同解方程组,进而得到方程组的解.,
经过行初等变换可化为,
由于,则矩阵
则矩阵中至少则矩阵中至少有一个r阶子式不为0,从而这个不为0的r阶子式所在的r个行向量线性无关.不失一般性,不妨设它位于
上角.于是矩阵
矩阵:的左,
,
(1)当时,(4.2.2)式具有如下形式
,
,
(2)当时,由
(4.2.2)可得方程组(4.2.1)的同解方程组
(4.2.3)
,
,
把(4.2.3)式中含有变元xr+1,xr+2,…,xn的项移到每个方程的右端,得到
(4.2.4)
,
,
给定xr+1,xr+2,…,xn的任意一组值,由(4.2.4)可得到方程组(4.2.1)的一个解
(4.2.5)
,
由(4.2.5)式,可得方程组解的向量形式)这里令):
,
这里xr+1,xr+2,…,xn为自由未知量.由于xr+1,xr+2,…,xn可以任意选取,故方程组在时有无穷多个解.(4.2.5)
式称为方程组(4.2.1)的通解或一般解.
综上,我们得到如下定理.,
,
例4.2.2
解
对方程组的增广矩阵进行初等行变换,把其化为最简阶梯形矩阵,
解线性方程组由于
,从而方程组有无穷多解,且原方程组的同解方程组为
,
,
例4.2.3
有解,并求其解.
讨论λ取何值时,线性方程组
方程组中含有参数λ,需要对方程组的增广矩阵
作初等行变换,化为最简阶梯形矩阵.解法1
对λ的取值情况进行讨论.当时,方程组有唯一解:时,当原方程组的同解方程组为:方程组的通解为其中x2,x3为自由未知量.解的向量形式为
当λ=-2时,由于
所以,此时方程组无解.
由于例4.2.3中未知量的个数与方程的个数相等,也可先求方程组的系数矩阵的A行列式,通过讨论参数λ的各种情况,确定方程组是否有解.
方程组的系数矩阵A的行列式
解法2
对分别λ对的取值情况进行讨论
,
,
显然,
所以方程组无解.
(3) 当=2时,通过初等行变换
,
,
立刻得到如下结果
把定理4.2.1应用到齐次线性方程组
(4.2.6)
定理4.2.2设A为齐次线性方程组(4.2.6)的系数矩阵,
如果,则齐次线性方程组只
唯一零解;
,
,
推论含有n个未知量n个方程的齐次线性方程组AX=0有非零解的充分必要条件是它的系数行列式
如果R(A)=r<n,则齐次线性方程组除零解外,还有无穷多个非零解.特别地,当方程的个数小于未知量个数,即m<n时,齐次线性方程组必有无穷多个非零解.,
,
例4.2.4
解对方程组的系数矩阵作初等行变
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